열의 역사

열 현상들과 열의 정의는 물에 대한 신화에서부터 열, 연소성 흙, 플로지스톤, 불공기, 열소, 열의 이론, 열의 일당량, 에너지론, 열역학까지 포함한다. 열의 역사의 대부분은 열역학 역사의 선구적인 것이다.

 

 

 

* 18세기

 

1761년에 스코틀랜드 화학자 블랙은 얼음이 녹을 때 온도 변화 없이 열을 흡수한다는 사실을 발견하였다. 이것으로부터 그는 열은 얼음 알갱이와 결합되어 있다가 보이지 않게 된다고 결론지었다. 1759년부터 1763년 사이에 그는 그의 과학적인 명성의 주된 기초가 되는 "숨은열" 이론으로 발전시켰고, 또한 서로 다른 물질들은 서로 다른 비열을 가지고 있다는 것을 보였다. 와트 기관을 발명한 제임스 와트는 블랙의 제자이자 조력자였다. 이러한 경향 속에서 열을 전달시켜 일을 할 수 있는 능력은 토마스 뉴커먼과 제임스 와트와 같은 사람들에 의해 증기 기관이 발명되고 발전할 수 있도록 하는 밑거름이 되었다. 1797년 대포 제작자인 럼퍼드 백작 벤자민 톰슨이 일을 열로 전환시키는 것이 가능하다는 것을 저항을 사용하여 증명하였다. 이를 위해서 그는 여론실로부터 완전히 고립된 특별한 모양의 대포 포신을 제작하였다. 그러나 나서 날카로운 보링 도구를 무딘 드릴용 송곳으로 교체하고, 총의 앞부분을 물이 가득 찬 탱크에 담가놓았다. 이러한 장비를 사용하여 그는 차가운 물을 불을 사용하지 않고 2시간 30분 만에 끓게 만들었다. 열의 본성에 대한 몇 가지 이론들이 발전하였다. 17세기 베허는 열이, 물질이 탈 때 물질로부터 빠져나오는 플로지스톤이라는 보이지 않는 물질과 연관되어 있다고 제안하였다. 파라켈수스가 주장한 3 원리설에 의하면, 물질의 모든 성질은 세 가지 근본 원리들 곧 가연성을 나타내는 황, 유동성과 휘발성을 나타내는 수은, 그리고 고체 성과 안정성을 나타내는 염을 통해 설명할 수 있다. 그리고 이에 따르면, 물질이 타는 연소 현상은 다른 원소와 결합된 상태의 가연설 원리인 황이 그 물질로부터 분리되어 나오면서 일어나는 것이다. 열에 대한 이 같은 생각을 발전시켜 슈탈에 의해 주장된 이론이 플로지스톤 이론이다. 플로지스톤 이론에 따르면 가연성 물질들은 모두 플로지스톤을 포함하고 있고, 이러한 물질들이 탈 때 플로지스톤이 빠져나오면서 연소가 일어나는 것이다. 오늘날 우리가 금속이 공기 중의 산소와 결합하는 현상으로 이해하는 금속의 하소도 금속이 플로지스톤을 내어놓고 재가 되는 것으로 설명하였다. 그러나 점점 더 정확하고 정량적인 실험들이 이루어지면서 금속의 하소의 결과로 생성된 금속재가 원래의 금속보다 무겁다는 사실이 밝혀졌다. 플로지스톤이 빠져나갔는데도 무게는 오히려 증가한다는 사실은 이 이론의 중요한 문제점으로 인식되었다. 이를 플로지스톤이 음의 무게를 갖는다는 식의 설명으로 대체하기도 하였지만, 연소의 경우는 무게가 감소하기 때문에 의문은 풀리지 않았다. 아직 연소의 결과 생성된 기체의 무게를 고려하지 못하던 상황에서 연소의 경우도 무게가 증가한다는 사실을 알지 못했기 때문이다. 이것은 1783년에 연소에서 산소의 중요성을 증명한 라부아지에에 의해 논박되었다. 그는 대신에 열소 이론을 주장하였는데, 이것은 무게가 없고 보이지 않는 유체로서 평형상태가 깨졌을 때 움직인다. 이 이론은 1824년에 프랑스의 사디 카르노가 <불의 동력에 대한 성찰>을 출판할 때 사용되었다. 그는 "동력은 실제 열 소의 소비로부터 생성되는 것이 아니라 따뜻한 물체로부터 차가운 물체로, 즉 평형상태를 향해 열 소가 이동하면서 생성된다."며 열전달의 중요성을 이야기하였다. 카르노에 따르면 이 원리는 열에 의한 운동에 의해 형성된 모든 기관에 적용된다. 또 다른 이론을 1738년에 스위스의 무리 학자이자 수학자인 다니엘 베르누이의 유체역학으로부터 나온 기체 분자 운동론이다. 이 연구에서 베르누이는 처음으로 기체가 모든 방향으로 운동하고 있는 엄청나게 많은 분자들로 이루어져 있다고 주장하였다. 표면에 대한 그들의 영향이 우리가 느끼는 기체의 압력을 일으키는 것이다. 한 물질의 내부 에너지는 각각의 분자와 연관되어 있는 운동에너지의 합이고, 활동적인 분자들로 이루어져서 매우 높은 내부 에너지를 가진 지역에서 덜 활동적인 분자들로 이루어져 있고 내부 에너지도 더 낮은 지역으로 열전달이 이루어지는 것이다.

 

 

* 19세기

 

제임스 프레스콧 줄과 율리우스 로베르트 폰 마이어의 연구는 열과 일이 교환가능하다는 것을 증명하였고, 이는 1847년 헬름홀츠의 에너지 보존 원리에 대한 진술로 이어졌다. 클라우지우스는 1850년에 물질의 이동보다는 에너지의 보존을 이용하여 열 소 이론이 기체 분자 운동론과 조화를 이룰 수 있다는 것을 증명하였고, 열역학 제1법칙을 진술하였다. 1851년 윌리엄 톰슨은 제임스 줄과 같은 사람들의 최근 실험에 기초하여 열의 본질에 대한 현대적인 관점을 개관하였다. "열은 물질의 이동이 아니라 역학적인 작용의 동역학적인 형태이다." 이러한 관점에서 그는 "역학적인 일과 열 사이에 반드시 평형점이 있을 것이라는 사실을 인식해야 한다."라고 주장하였다.